搅拌机的设计与研究
字号:T|T时间:2012-08-03 08:41:32  点击率:5267
作者:上海银鲨  来源:http://www.cn-mixer.com
 

化工反应中搅拌器的目的是借助搅拌器的作用使化工生产中的液体充分混合,以满足化学反应能够最大程度的进行。该设备可以代替手动搅拌对人体有毒或对皮肤有伤害的化工原料,结构简单,使用方便,在化工生产应用比较广泛。本课题要求设计一个小型搅拌器,容积在500升左右,工作平稳灵活,使用方便。本题目主要涉及化工生产中搅拌器的设备设计,主要解决的问题是化工生产中该设备的设计,包括:搅拌器的选择、电动机及减速器的选型、支撑装置的设计、轴的选择及密封设置、搅拌容器的设计,并画出相应的设备图。

1.1.2 搅拌器的发展史及现状

 搅拌混合设备是一种应用广泛、品种繁多的流体机械产品,适用于化工、冶金、医药、食品和饲料等领域。搅拌操作是工业反应过程的重要环节,它的原理涉及流体力学、传热、传质及化学反应等多种过程,而搅拌器是为了使搅拌介质获得适宜的流动场而向其输入机械能量的装置。因此搅拌器也叫做Mixer,或叫做Agitator,Stirrer。广义的搅拌还包括将固体微粒分散悬浮在溶液里面或将溶液变成均匀的乳化液,因此它包括分散器和均质机。某些搅拌器能产生极大的剪切力,以获得细化的粒子比胶体磨大10倍以上的亚微米悬浮体,因此,可用于制造色拉酱、美容乳之类的精细食品和化学品。石化工业常用于聚氯乙烯合金、顺丁橡胶合釜、反应釜、汽提釜等统称为搅拌容器(Agitatored Vessels,或Stirred Vessels)。

近年来,搅拌器和搅拌容器获得飞速发展的同时,正面临着满足合理利用资源、节能降耗和对环境保护要求的严峻挑战。搅拌器和搅拌容器在服从装置规模经济化和品种多样化的同时,正日趋大型化。日立制作所自1949年生产搅拌反应釜以来已为聚氯乙烯、对苯二甲酸、苯乙烯单体、聚丙烯等装置生产了搅拌反应釜近4000台,容器的最大容量达576m ,最大直径达7620 mm,圆筒部分最大长度达44380 mm,设计压力最大 28 MPa,设计温度最高 530 cI,电机最大功率达1100 kW。基于节能的要求,开发出变频调速电机、小剪切阻力桨叶、以新型密封代替机械密封和填料密封,以磁力驱动代替机械传动。基于降低产品总体成本、减少维修保养成本和提高设备平均维修间隔时间的要求,大大提高了设备运行寿命。基于满足卫生和降低清洗和杀菌成本的要求,实现了CIP(就地清洗 ) SIP(就地杀菌),提高了自动化水平,避免了人与产品的接触,减少了人工操作和待机时间,大大提高了产品的卫生水平。

1.1.3 搅拌器的主要类型及其发展概况

根据搅拌器的形状可以分成直叶浆式、开启涡轮式、推进式、圆盘涡轮式、锚式、螺带式、螺旋式等;根据不同液体的粘度可以分为低粘度液搅拌器、中高粘度液搅拌器。低粘度液搅拌器,如:三叶推进式叶轮,折叶浆式 (24折叶)6直叶涡轮式,超级混合叶轮式 (HR]O0HV200)等 ;中高粘度液搅拌器如:锚式、螺杆叶轮式,双螺旋螺带叶轮型,超混台搅拌器 (MR205305)等。为了达到成品高精度、高品质化要求,国外,特别是日本开发了新型的搅拌装置,以满足高粘度产品的生产需要。如倒圆锥形螺带翼式搅拌器、超混合搅拌器、高性能浮动搅拌槽、超振动α型搅拌器等。 

在对物料的搅拌操作中,人们希望实现多种搅拌目的,因此了解各种搅拌器的特点,选择适宜的叶轮型式,设计出符合流动状态特性的搅拌器是非常重要的。搅拌槽内的液体进行着三维流动,为了区分搅拌浆叶排液的流向特点,根据主要排液方向,按圆柱坐标把典型浆叶分成径向流叶轮和轴向流叶轮。齿片式、平叶浆式、直叶圆盘涡轮式和弯曲叶涡轮式在无挡板搅拌槽中除了使液体产生与叶轮一起回转的周向流外,还由于叶轮的离心力是液体沿叶片向槽壁射出,形成强

大有力的径向流,故称这些叶轮为径向流叶轮。径向流叶轮搅拌器旋转时,将物料由轴向吸入再径向排出,叶轮功率消耗大,搅拌速度较快,剪切力强。如图1.1、图1.2所示,是典型的径向流叶轮型式。

               1.1                                                   1.2

在湍流状态下,推进式叶轮除了产生周向流动外,还产生大量轴向流动,是典型的轴向流叶轮。折叶涡轮式叶轮与直叶圆盘涡轮和弯曲叶涡轮式叶轮相比,轴向流成分较多,多用于轴向流的场合。螺带式和螺杆式叶轮使高粘度物料产生轴向流动,也属轴向流叶轮型式。轴向流叶轮搅拌器不存在分区循环,单位功率产生的流量大,剪切速率小且在浆叶附近较大范围内分布均匀,具有较强的最大防脱流能力。如图1.3、图 1.4所示,是典型的轴向流叶轮型式。

1.3                        1.4

新型轴向流叶轮

在通常情况下,大量的搅拌设备用于低粘物系的混合和固一液悬浮操作,要求叶轮能以低的能耗提供高的轴向循环流量。由于传统的推进式叶轮叶片为复杂的立体曲面,虽能满足要求,但制造却很困难,亦不易大型化。因此竞相开发节能高效、造价低廉且易于大型化的第二代高效轴流搅拌器成为混合设备公司的目标。美国莱宁公司开发了 A310A315系列(如图1.5,图1.6所示)

1.5                                            1.6

国内如北京化工大学和华东理工大学等也分别开发了CBY轴流浆和翼型浆;中国石油化工学院的沈惠平教授等人还研制开发了一种新型高效易于加工的轴流式搅拌叶轮。它是一种空间扭曲板材型浆叶,从叶片端部看,它由许多相似的拱组成,与其所处半径有关,且具有合理的叶片倾角、拱度及叶片宽度。

新型搅拌混合设备

近年来欧洲和Et本开发了很多种适用于高粘和超高粘物系的卧式自清洁搅拌设备。瑞士卧式双轴全相(AllPhase)型搅拌机就是典型的一例。如图1.7所示。

1.7

1.8

外,北京燕山石油化工有限公司设计院针对在大直径、低转速、介质较粘稠的场合,设计了一种复合式搅拌器,很好地解决了无法配备大功率的电机,存在制造、检修以及安装的困难等问题。复合式搅拌器的结构如图1.8所示。       设备设计智能化的实现

根据混合专家的经验和常识,将搅拌混合设备与自动控制技术相结合,在混合设备选型和设计中运用人工智能技术(AJ)和基于知识的系统(KBS),即实现了混合设备选型和设计的智能化。

如图1.9所示,搅拌设备设计专家系统采用总设计任务控制各阶段设计分任务,分任务调度相应的设计知识和数据,实现混合设备的专家系统设计的组织方法。通过仔细的分析、归属,用智能化设计系统原型阶段性地实现混合设备的设计过程,可以把其表示为一系列的设计过程的链式序列。各阶段相对独立又相互连续,其中每一个设计阶段都将设计结构传递给后继设计过程L6j。该系统从搅拌叶轮的选型、过程设计、机械设计和经济分析评价,到最终机械绘图的全过程的都给出了智能化的计算机辅助设计。它可应用于牛顿流体和非牛顿流体,液一液体系、固一液体系和气 一液体系,并且可以处理容积超过上百立方米的应用体系。20世纪90年代以来,有关搅拌设备选型和设计的专家系统在国外已有少量报道。如 1994年美国 Chemineer公司报道了该公司有一个用于涡轮式搅拌设备设计的知识库软件 AgDesign,据称该公司90%顶伸人搅拌器的设备均已用此软件进行设计。芬兰的Lappeenranta工业大学在1994年发表了有关混合设备初步设计的知识库系统的论文。在国内,浙江大学也正与大型石化企业合作开发搅拌槽式反应器的智能化辅助选型和设计软件。

1.9 混合设计智能化设计系统实现结构

1.1.4结束语

搅拌操作是工业反应过程的重要环节,搅拌混合设备在化学工业中担当着非常重要的角色。现代化学工业要求有更高更好的搅拌混合技术,因此必须改进传统搅拌装置、研制新型混合设备;同时使用 LDVPIV EPT等先进量测技术,运用计算流体动力学知识,深入分析搅拌反应器内的流体流动机理和微观混合,安全和优化设计、提高过程效率性能和降低失败风险,并最终提高反应产率。在这些现代先进技术的推动下,搅拌混合技术一定会向一个更新的阶段发展。

1.2 搅拌器的工作原理

通常搅拌装置由作为原动机的马达(电动、风动或液压),减速机与其输出轴相连的搅拌抽,和安装在搅拌轴上的叶轮组成减速机体通过一个支架或底板与搅拌容器相连。当容器内部有压力时,搅拌轴穿过底板进入容器时应有一个密封装置,常用填料密封或机械密封。通常马达与密封均外购,研究的重点是叶轮。叶轮的搅拌作用表现为“泵送”和涡流”,即产生流体速度和流体剪切,前者导至全容器中的回流,介质易位,防止固体的沉淀并产生对换热热管束 (如果有)的冲刷;剪切是一种大回流中的微混合,可以打碎气泡或不可溶的液滴,造成“均匀”。

1.3 化工反应中的搅拌设备

根据搅拌器叶轮的形状可以分成直叶桨式、开启涡轮式、推进式、圆盘涡轮式、锚式、螺带式、螺旋式等}根据处理的掖体牯度不同可以分为低粘度液搅拌器。低粘度液搅拌器,如:三叶推进式、折叶桨叶,6直叶涡轮式、超级混合叶轮式 HR 100HV 100等;中高粘度液搅拌器如:锚式、螺杆叶轮式、双螺旋螺带叶轮型,MR 205305超混合搅拌器等等。

1.4 化工搅拌器的适应条件和构造

1.4.1 化工搅拌器的适应条件

搅拌加速传热和传质,在化工设备中广泛运用。化工搅拌器的作用使化工生产中的液体充分混合,以满足化学反应能够最大程度的进行,该设备可以代替手动搅拌对人体有毒或对皮肤有伤害的化工原料减少对人体的危害,同时通过电动机带动轴加速搅拌,提高生产率。 搅拌加速传热和传质,在化工设备中广泛运用。搅拌的对象可以是液体、固体和气体,其中液体是必不可少的。最常见的液体是水,其粘度很低。液体也可能很粘,如黄油在室温下可达 l000000 cP。液体中如加入过多的固体,如泥沙,会失去流动性,成为泥团。这种物料也可搅拌,但不在本文叙述的范围内。

1.4.2 化工搅拌器的构造

化工生产过程中,通常用到的搅拌器种类有桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、推进式搅拌器、锚式搅拌器、框式搅拌器、螺带式搅拌器等。各类搅拌器由于其构造,性能等差异,使其能够分别适用于化工生产中各种不同的工况。桨式搅拌器又可分为平直叶和折叶搅拌器两种。这类搅拌器的结构和加工都比较简单。搅拌器直径 d与釜径 D之 比dD 03508,其运转速度为 10100rmin,为大型低速搅拌器,适用于低、中等粘度物料的混合及促进传热,可溶固体的混合与溶解等场合。涡轮式搅拌器又可分为开启涡轮式和圆盘涡轮式两类,每类又可分为平直叶、折叶、后弯叶三种。涡轮式搅拌器外形结构上与桨式搅拌器类似,只是叶片较多。搅拌器直径 d与釜径 D之比dD01705,转速为30500rmin。旋转时有较高的局部剪切作用,能得到高分散度微团,适用于气液混合及液液混合或强烈搅拌的场合,常用于低中等粘度物料 (μ<5×10 cP)。就一开启式和圆盘式相比较而言,其构造上差异造成开启式比圆盘式循环流量更大,轴向混合效果更好。推进式搅拌器也常被称为旋桨式搅拌器。顾名思义,其叶片形式类似于轮船上的螺旋桨。搅拌器直径 d与釜径 D之比 dD 0205,转速较高,为 100800rmin。运转时产生较大的轴向循环流量,宏观混合效果较好,适用于均相液体混合等搅拌不是非常强烈的以宏观混合为目的的搅拌场合,常用于低粘度料液 (μ<2000cP)的混合。框式搅拌器的搅拌外缘与釜壁间隙很小,dD 09098,此特点使得搅拌时物料不易产生死区。转速为 1100rmin,为低速搅拌器,只产生切线流,剪切作用小,无轴向混合,适用于高粘度物料的搅拌。如精细化工产品涂料油漆、化妆品的生产过程中常用到此类搅拌器。螺带式搅拌器是把一定螺距的螺旋形钢带固定在搅拌轴上,螺带外缘很接近釜壁。搅拌时,物料沿釜壁上升,沿轴向下运动。适用于高粘度料液的混合。

1.5本课题的设计思路

本课题的设备思路可分为以下步骤:

1:按设计要求可用的 DT(轮径/罐径)值,和对搅拌时间、搅拌程度的要求,选定若干个不同转速下的扭矩或功率要求;

2:选定合理的叶轮安装高度,结合设备情况,估计近似的搅拌轴长;

3:估计合理的电动机功率;

4:根据叶轮功耗。输出轴、支架等等,选择能满足前三项要求的搅拌器;

5:按照叶尖切线速度等条件,确定最合适的转速,对设计进行优化,按已确定的条件,对轴系进行动力和强度等因素的验算和分析。

2 搅拌容器的设计

2.1 搅拌容器的设计思路

根据设计要求,要求搅拌器的容积在500升左右,液体粘度为0.3Pa.s,液体的密度为ρ=1500kg/m3,运转速度为40r/minv=5m/s结合实际条件,本课题选用筒式搅拌器。将搅拌器的外壳设计成圆筒形,搅拌器旋转时,把机械能传递给流体,在搅拌器附近形成高湍动的充分混和区,并产生一股高速射流,使流体具有较高的压头,推动液体在搅拌容器内循环流动。在圆筒的导流作用下,介质从简体的顶部和底部流入筒内,完成一个循环,使介质产生高速的径向流和轴向流,同时加大介质流量,介质流动更均匀。

通过筒式搅拌器与涡轮式搅拌器和推进式搅拌器的功率对比试验,在相同的拌情况下,筒式搅拌器将电能转化为机械能的效率更高,如图所示。

2.1  三种搅拌功率曲线

(1) 筒式搅拌器的搅拌流型适于低黏度液体的搅拌,搅拌釜内的搅拌死角较少。

(2) 筒式搅拌器对电能的利用率高,在相同的情况下,筒式搅拌器的功率准数较小,耗能少,表明筒式搅拌器在节能方面具有非常好的效果。

(3) 筒式搅拌器的搅拌混合效率高,在相同的情况下,是涡轮式和推进式搅拌器的23倍。

因此,本课题选用的筒式搅拌器能够满足设计的要求。

2.2 总体设计方案

化工生产过程中,通常用到的搅拌器种类有桨式搅拌器、涡轮式搅拌器、推进式搅拌器、锚式搅拌器、框式搅拌器、螺带式搅拌器等。各类搅拌器由于其构造,性能等差异,使其能够分别适用于化工生产中各种不同的工况。由于本次设计的搅拌器是低粘度、低速度、液—液混合的小功率设备,容积为500L,根据搅拌器对这些因素的要求,本次设计选用斜浆式搅拌器。倾斜浆式搅拌器结构上,叶桨与搅拌轴的安装角<90°,在旋转搅拌时,阻力将碱小;另一方面,倾斜旋转的叶桨能使容器内的液料形成涡流,搅拌效果好,特别是当轴正向旋转时,可使沉淀物搅动上翻,对物料的搅拌效果相当好;当轴反向旋转时,又可使悬浮物搅至底部,对有悬浮物的液料搅拌十分有利.但转轴受扭矩和弯矩复合作用,对其强度、剐度及安装的要求较高,多用于低速、低粘度、小功率( = 30~40rmin)搅拌.符合设计的要求。

2.3 搅拌容器的设计计算

2.3.1确定筒体的几何参数

1)筒体型式

  选择圆柱形筒体

2)确定内筒筒体的直径和高度

由于搅拌过程是液—液相混合,一般来说搅拌装置的高径比(HD)为1~1.3,本次设计选用高径比为1.2。已知搅拌容积是500L,根据公式

D=                        1

可以计算处筒体的直径D=0.80m,筒体高H=0.96 m

3)筒体材料的选择及估算筒体钢板的厚度

  根据冶金手册产品的标准,我们选用普通碳素钢,根据GB1501998中对碳素钢的要求和钢板之间的差别,我们选用Q235B热轧钢板,厚度尺寸选用9mm

4)计算筒体的壁厚及强度校核

按照材料力学中的强度理论,对于钢制容器适宜采用第三、第四强度理论,但是由于第一强度理论在容器设计史上使用最早,有成熟的实践经验,而且由于强度条件不同而引起的误差已考虑在安全系数内,所以至今在容器常规设计中仍采用第一强度理论,即

σ1[σ]

式中是器壁中σ1三个主应力中最大一个主应力。对于内压薄壁容器的回转壳体,周向应力σθ为第一主应力,径向应力σψ为第二主应力,而另一个主应力σz是径向应力,由于σθ、σψ与相比壳忽略不计,即σ3=σz=0,所以第三强度理论与第一强度理论趋于一致。因此在对容器个元件进行强度计算时,主要确定σ1,并将其控制在许用应力范围内,进而求取容器的壁厚。

容器圆筒承受均匀内压作用时,其器壁中产生的如下薄膜应力(圆筒的平均直径为D,壁厚为t):

σθ=

σψ=

很显然,σ1=σθ,故按照第一强度理论,有

   σ1 = 〔σ〕t                     2

在容器设计中,一般只给出内径值Di,则D=Di + t,将其代入上式,得

P(Di+t)/2t〔σ〕t                     3

容器圆筒在制造时由钢板卷焊而成,焊缝区金属强度一般低于木材,所以上式中的〔σ〕t应乘以系数Ф。所以,考虑容器内部介质和周围大气腐蚀、供货钢板厚度的负偏差等原因,设计厚度应比计算厚度大。设t为圆筒的计算厚度,则由上式可得

   4

式中p——设计内压力,Mpa

Di——圆筒内直径,mm

t ——计算厚度,mm

Ф——焊缝系数,Ф≤1.0

〔σ〕t——设计温度下圆筒材料的作用应力,Mpa

式(4)即为内压圆筒厚度的计算公式。已知Q235B 钢的设计内压力P<1.6 Mpa,选用P=1.0Mpa,许用应力〔σ〕t=125 Mpa,〔σ〕=125 MpaФ=0.5所以计算厚度t=1.0×800)/(2×125×0.50.2=7mm。代入(2)式验算得σ1=61.4<〔σ〕=125 Mpa,符合要求。

2.3.2 封头的设计

  1封头的选型及计算

最常用容器封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和无折边封头等凸形封头以及圆锥形封头、平板封头等数种。这些封头都是压力容器的主要受压元件,由于与圆筒筒体的连接处有较为复杂的边界条件,故有不同性质的应力存在,所以在对承受均匀内压封头进行强度计算时,除了要考虑封头自身的薄膜应力外,还要考虑封头与圆筒筒体连接处的不连续应力。

综上所述,根据本次设计的要求,从各个封头的受力分析、制造工艺和的应用场合等各个方面综合考虑,我们选用标准椭圆行封头。如下图所示

2.2

椭圆形封头是由半个椭球面和一圆筒直边组成,其结构设计充分吸取了半球形封头受力好和碟形封头深度浅的优点,其应用最为广泛。由于椭圆形封头几何特征造成经线曲率平滑连续,故封头中的应力分布比较均匀。椭圆形封头中的应力,包括由内压引起的薄膜应力和封头与圆筒体连接处的不连续应力两部分。对于标准椭圆形封头,其Di/2hi=2K=1,则封头的厚度计算公式为

T=Pdi/(2[σ]tφ-0.5p)                  5

t=7mm。其中长轴为2a=D=0.80mh1/D=0.25,所以h=0.2m,短轴之半b=h=0.2m。从式(5)可知,标准椭圆形封头的厚度与筒体基本相同,若因Ф值有所不同,则相差也不会很大,为焊接方便,常取两者等厚。

2)封头的强度校核

封头的厚度为7mm,椭圆形封头的当量球壳内半径R1=KD=1800=800mm,用式(6A==0.0015,查得B=120Mpa,由式(7

[P]=                           7

[P]=1.05Mpa>1.0125 Mpa。故封头壁厚取7mm可以满足稳定性的要求。

2.3.3搅拌器功率的计算

在计算功率之前,首先计算搅拌过程的雷诺准数,计算公式为

Re=                         8

已知η=40 rmindj=0.42mµ=0.3Pa.s,ρ=1500kg/m3所以雷诺数Re=588

搅拌所需动力为

P=                          9

其中Np为动力系数,利用Rushton的算图,查得Np=0.75,代入上式得P=4.4KW,所需电动机的功率为Pe=P/η=4.4KW,所以选择5.5KW的电动机就可满足要求。

3 搅拌轴的结构及材料

3.1轴的结构

搅拌轴主要用来支承搅拌器的,并从减速器输出轴取得动力使搅拌器旋转,达到搅拌的目的。因此,搅拌轴的结构就是以这些要求为依据进行设计的。搅拌轴上端应同减速器输出轴相连。它们是通过联轴器相联接的,因此,搅拌轴上端必须复合联轴器的联接结构要求。轴上相应的位置应加工出同搅拌器相配合的结构尺寸。目前常用的搅拌器大都采用平键、穿轴销钉或穿轴螺钉固定。其结构如下图所示。

3.1  1—搅拌器2—防锈螺母

3.2轴的材料

搅拌器轴的材料通常选用45号钢,还应进行正火或调质处理。同时由于化工反应中有腐蚀,所以还要进行防腐蚀处理。

3.3搅拌轴的计算

搅拌轴的计算主要是确定轴的最小截面尺寸(轴径),需要进行强度、刚度计算或校核,验算轴的临界转速和挠度等,以便保证搅拌轴能安全可靠的运转。

搅拌轴的特点是细而长,搅拌器设在轴的一端,轴受到扭转、弯曲和轴向等组合载荷,其中以扭转载荷为主。工程应用中常用近似的方法进行强度计算,即假定轴只受到扭矩作用,然后用增加安全系数以降低材料许用应力的办法来补偿其他载荷的影响。

(1)  轴的强度计算

轴的扭转强度条件是:

max =                                 10

由上式可知,只要知道了搅拌轴上所传递的扭矩MT和轴材料的许用剪应力[]值后,就可求出轴的抗扭截面模量,即:

WP=                                  11

已知MT可由轴传递的功率P和转速n求出,即:

MT=9.55×106P/n                         12

然后再根据抗扭截面模量Wp同轴径d的关系求出搅拌轴的最小直径。因为

Wp=                                 13

将(12)(13)式代入(11)式得

d×365.09×mm

已知搅拌轴的功率为4.4KW,轴的转数n=40r/min[]=40Mpa,代入上式得d=51.2mm考虑到腐蚀,故搅拌轴的直径为55mm

2)轴的刚度的计算

为了防止搅拌轴产生过大的扭转变形,从而在运转中引起振动,造成动密封失效,应该把轴的扭转变形限制在一个允许的范围内,这就是设计中的扭转刚度条件。为此搅拌轴要进行刚度计算。

工程上是以单位长度的扭转角θ不得超过许用扭转角[θ]作为刚度条件的,即:

θmax=×103× [θ]         14

θ—轴扭转变形的扭转角,°/m

G—剪切弹性模量,MpaG=8.1х104Mpa

Ip—截面的极惯性矩。一般情况下Ip =

从(14)式可以看出,扭转角θ的大小与扭矩MTmax成正比,与扭转刚度GIp成反比。许用扭转角[θ]值是根据实际情况确定的,一般搅拌轴选用[θ]=0.51.0)°/m。取[θ]=0.8代入下式

d1537×mm                      (15)

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